基于DSP的视频图像处理系统的研究

1、第5卷第3期2009年7月沈阳工程学院学报(自然科学版Journal of Shenyang I nstitute of Engineering (Natural Science Vol 15No 13Jul .2009 收稿日期:2009-01-19作者简介:李波(1977-,男,辽宁锦州人,讲师,硕士.基于DSP 的视频图像处理系统的研究李波,赵光(辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州121001摘要:目前,DSP 芯片在数字图像处理领域得到了广泛的应用.首先采用DSP 及其他可编程芯片设计出了基于DSP 的视频图像处理系统的硬件部分,主要对硬件设备进行了选型,并阐述了系统的结构及工作

2、原理.然后根据数字图像处理的原理,给出了该系统软件设计的方法.利用VC 610开发出了PC 机部分的用户界面,可将采集到的视频图像在该界面上实时显示.最后对整个系统进行了实验,并指出了基于DSP 的视频图像处理系统的应用前景.关键词:图像处理;DSP;视频中图分类号:T N911.73文献标识码:A 文章编号:1673-1603(200903-0272-03随着电子信息产业的迅猛发展、现代数字信号处理理论的日益完善,以DSP 为代表的新一代数字信号处理芯片,使复杂的数字信号处理算法的实现成为了可能.同时,由于DSP 器件和其他可编程芯片的不断融合与集成,使DSP 已从最初的语音信号处理领域被推

3、广应用于图形图像等视频信号处理领域.1系统的硬件设计基于DSP 的视频图像处理系统的硬件部分主要由图像采集模块、图像预处理模块、图像处理模块和图像传输模块构成1,其整体的组成如图1所示.图1基于D SP 的视频图像处理系统的硬件组成1.1图像采集模块图像采集模块由CCD 摄像头和视频A /D 转换器组成,可将实时采集的外部视频图像经A /D 转换后,以CC I R656的格式输入到图像预处理模块.1CCD 摄像头采用S ANY O 公司的1/4彩色VCC -9400P 智能高速球机.它具有32倍的电子灵敏度,当监视点的光照度降低时,其电子灵敏度会自动提升,在没有光线的地点也能获得清晰的图像.该

4、摄像头通过不断地调整自动光圈、自动增益和电子快门来获得稳定的画面.系统通过CCD 摄像头可以昼夜监控外部环境,并将视频信号传送给A /D 转换芯片.2S AA7111A 是PH I L L I PS 公司的增强型视频A /D 转换芯片,支持CC I R656格式的信号,来自于电视或CCD 摄像头的视频图像都可以作为它的输入信号源.该芯片内部有2个通道的模拟预处理电路,能实时调整视频图像的亮度、对比度和饱和度,并将P AL 或NTSC 制式的色彩分解,使分解后的成分值可被兼容.由于S AA7111A 体积小、集成度高,因此适用于数字电视和可视电话等领域,它在系统中可将前方的CCD 摄像头给出的视

5、频信号进行A /D 转换.1.2图像预处理模块图像预处理模块的功能包括改善图像、抑制变形和增强特征等.这里,主要使用了FPG A 对CC I R656格式的视频信号进行数字滤波、二值化及特征提取等功能.此外,该模块还能控制乒乓缓存结构对图像的存取操作.1FPG A 是实现数字信号处理的硬件单元,用以完成图像增强和图像分割操作.系统采用了Xilinx 公司3M illi ons 系同门的XC2V3000,它的1728kb 块存储器及448kb 可配置存储器均为图像预处理提供了第3期李波,等:基于DSP的视频图像处理系统的研究273必要的硬件基础.FPG A能根据处理进程来协调各子模块间的信号,还

6、能对DSP模块实现存储空间的分配,进而保证了数据流在各子模块间顺利传输.2在数字图像处理系统中,通常有3种数据存储结构:双口RAM结构、F I F O结构和乒乓缓存结构.双口RAM在1片SRAM存储器上配备了2套完全独立的数据总线、地址总线和控制总线,CP U可在1个时钟周期内同时对该存储器随机访问2次.而F I F O结构存储数据时,其存储空间只能按顺序进行访问.通常双口RAM的存储空间要比F I F O大很多2.对于高速的图像处理系统而言,这2种缓冲结构的存储容量还相对有限,不能满足实际的需求.因此该系统选择了乒乓缓存结构,即2片SRAM均选取了Cyp ress公司1Mb的CY7C028V

7、.该芯片具有双片选使能、中断及主从工作模式等优点.当乒乓缓存结构中的1片SRAM用于视频图像采集时,另外的1片则可作为图像缓冲区,为外设对它的快速访问提供保障3.1.3图像处理模块图像处理模块是整个视频处理系统的核心部分,由T MS320C6202及外扩存储芯片S DRAM或EEP2 ROM组成,主要完成图像压缩和图像编码功能.1美国TI公司的定点DSP系列芯片具有高精度、低功耗、高性价比等优点,在目前全球的DSP市场占有较大的份额.T MS320C6202是C6000系列DSP处理器的一种,其主频为250MHz,速度为2000M I PS,采用超长指令字结构V I L W.它的片内有2条数据

8、通道,每条通道都包括1组寄存器文件和4个处理单元,这样就可以在每个时钟周期内并行处理由8条指令组成的1个总长为256b的指令包.此外,T MS320C6202的片内还集成了4通道DMA协处理器和多通道缓冲串口Mc BSP等硬件资源.2系统还扩展了S DRAM和EEPROM等存储芯片.这里S DRAM选取了I CSI公司64Mb的I S42S16400L.而EEPROM则采用了AT ME L公司最新的AT24C02芯片,其内含2kb的存储空间,数据可重复擦写10万次以上.1.4图像传输模块图像传输模块通过US B2.0协议与PC机进行通信,主要由T MS320VC5402和US B控制器等组成.

9、1T MS320VC5402是C5000系列DSP处理器中具有较高性价比的一款芯片,主频为100MHz,采用哈佛结构,含有6级深度的流水线.它为用户提供了通用I/O口和主机接口HP I等丰富的片内资源.目前,T MS320VC5402已广泛地应用到数字通信、仪器仪表、语音处理和图像处理等领域.2US B是PC机扩展即插即用外设的接口标准. Cyp ress公司的CY7C68013-56P VC集成微控制器配有US B2.0收发器、智能串行接口引擎、8051单片机、片内存储器和通用可编程接口等.在系统中,利用US B 控制器既能对DSP实现HP I自举加载,又能方便DSP 与PC机间的高速数据通

10、信.当T MS320C6202完成了一帧图像数据的处理后, T MS320VC5402立即读取该结果并通知US B控制器要求PC机接收该帧,而这时T MS320C6202则立刻进入下一帧的图像数据处理.2系统的软件设计基于DSP的视频图像处理系统软件部分主要包括DSP软件和PC软件.其中,DSP部分的软件设计主要用于控制各个硬件模块的操作,而PC部分的软件设计则实现了用户操作界面的功能.2.1DSP部分的软件设计为实现DSP对图像稳定的采集、处理及传输等操作,系统的DSP软件部分采用了C语言自顶向下的编程方法,并在TI公司的集成开发环境CCS下汇编优化,最终生成DSP的可执行程序,其系统流程如

11、图2所示.因为图像处理算法是系统软件的重要组成部分,所以由XC2V3000和T MS320C6202来担负这项任务 .图2系统流程其中,在图像预处理阶段首先采用空间滤波技术降低噪声对图像的污染,然后利用图像分割技术在背景图像中提取目标图像.系统主要使用了阈值分割法,274沈阳工程学院学报(自然科学版第5卷该方法在图像分割中有着重要的作用,它主要包括以下的处理步骤4:1设阈值T初始值为图像中亮度的中间值.2使用阈值T将图像分割为2组像素的集合,即亮度值大于等于T的像素G1和亮度值小于T的像素G2.3令像素集合G1和G2中平均亮度值分别为1和2,则新阈值T=(1+2/2.4重复上面的步骤,直到迭代

12、后的新阈值T满足设计指标为止.为有效地利用图像中的数据资源,提高数据的可靠性,减小数据间的冗余,在图像处理中经常采用数据压缩的方法.随着多媒体技术的飞速发展和对图像处理要求的不断提高,JPEG2000已经逐渐成为满足各类应用需求的国际标准.系统首先采用了JPEG2000小波变换算法对图像进行处理,即计算图像的小波变换、修改小波系数和计算小波反变换.为了进一步增强数据的压缩率,在小波变换操作后又采用了霍夫曼编码的方法对图像进行压缩,系统尽可能地提高了图像处理的速度,保证了图像处理的准确率.2.2PC部分的软件设计为实时显示被采集到的视频图像,在PC部分使用VC6.0应用软件开发出了简洁智能的用户

13、操作界面.该界面具有视频显示窗口,能支持多画面图像切换.它不仅能提供视频显示模式及控制等操作,而且还具有帧捕捉及回放等功能.根据系统的需求和上述硬件的选型,结合软件调试,对该视频图像处理系统进行了实验.首先,以DSP 为核心的硬件部分将采集到的视频信号进行数字图像处理;然后,在W indows XP环境下PC机启动应用程序,自动接收经US B传输来的数据并予以实时显示.图3给出了当采用帧图像显示时的单画面运行结果 .图3用户操作界面3结论应用目前TI公司主流的DSP处理芯片,构建出硬件结构模型,系统采用了乒乓缓存结构,极大地提高了DSP的存取速度.同时论述了其软件设计方法,并采用VC6.0开发

14、出用户操作界面,经实验得到了运行结果.综上,基于DSP的视频图像处理系统可应用于家庭娱乐、安防监控和网络现场等场所.参考文献1曾义芳.DSP开发应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2008:234-243.2唐跃平,韩存兵,李咏强,等.双口RAM与F I F O芯片在数据处理系统中应用的比较J.微机与应用,2000(9:27 -28.3李武森,迟泽英,陈文建.高速DSP图像处理系统中的乒乓缓冲结构研究J.光电子技术与信息,2005.18(3:76 -79.4冈萨雷斯.数字图像处理(MAT LAB版M.北京:电子工业出版社,2006:305.Study on vi deo i m age

15、processi n g syste m based on DSPL IBo,ZHAO Guang(Co ll ege o f E l ec tr o n i c s&I nf o r m a ti o n s Eng i nee ri ng,L i ao n i ng U n i ve rs ity o f Te chno l o gy,J i nzho u121001,C h i naAbstract:C urrently,D SP chips have been w idely used in the field of digital i m age p rocessing.In

16、 this article,the v ideo i m age p rocessing system based on D SP is designed by using D SP and other p rogramm able ch i ps firstly.The hardw are equipm ent is selected.The structure and w orking p rinci p le of this system is exp lained.A ccording to the p rinci p le of digital i m age p rocessing,the soft w are designed m